智能药盒控制系统设计

智能药盒控制系统设计

李橙

中国铁路济南局集团有限公司济南电务段 山东省济南市 250031

摘要：本论文主要介绍了系统的硬件以及软件设计。子女可以通过按键来设置服药的时间、数量和类型，当到达服药时间会语音自动提醒老人服药，老人进行指纹识别确认身份后，电机推出药物让老人服药，同时记录老人的服药情况。若超过设定时间老人仍未服药，本系统会向手机发送短信告知子女。

关键字：STM32F103　指纹识别　药盒　LCD

1　课题任务要求

子女或医护人员提前将老人用药放入药盒中，设定每天服用药物的次数和每次用药量，服药时间到药盒语音提醒老人服药，通过指纹识别老人身份后药盒自动推出药物并记录，如超出服药时间仍未服用药物则远程向指定手机报警。要求利用STM32单片机、液晶显示、指纹模块、通信模块、按键电路、驱动电路等设计并制作该智能药盒控制系统。设计出单片机控制系统的硬件电路以及软件部分编程，制作出实物。

2　系统设计

2.1　系统硬件电路设计

单片机用串口通讯方式控制指纹模块识别老人的身份信息。AS608光学指纹检测模块的TX、RX引脚分别接到单片机的PA3、PA2引脚上，touch引脚接到单片机的PA11上，当有指纹按下且识别正确时，该引脚触发一个高电平信号。

LCD12864接线。液晶屏显示设定的吃药名称、数量、药盒的状态、手机号和实时时间。与单片机PB5、PB6和PB7端口相连，为了增强IO口输出能力，每个端口接一个1KΩ的上拉电阻。

语音提醒电路接线。服药时间到，本系统会发出“请及时吃药”的语音，提醒老人服药。该电路输入电压为5V，UART接口是标准串口波特率9600bps。异步串口数据输入接单片机的PA9。

电机驱动接线。出药电机采用型号为28BYJ-48的步进电机，驱动使用ULN2003驱动芯片。ULN2003芯片与单片机PA4、PA5、PA6和PA7端口相连，以上几个端口利用程序设置为推挽输出，输出脉冲控制步进电机运行推出药物。

按键接线。按键S1~S4依次与PB12~PB15端口对应接通，使用低电平触发，IO口设置上拉。S1可以实现调整系统时间的功能；S2能够设置闹钟，可以设置吃药时间，吃药编号，吃药数量信息。在设置状态下，每按下一次S2对所需要设置的数值加一；S3的功能是设置子女的手机号；S4的功能为录入指纹的功能按键。

SIM800接线。负责向手机发送信息,使子女能够实时掌握老人服药的情况。SIM800芯片引脚1与二极管D2和电容C4连接。二极管具有整流、降压的作用，防止反向电流击穿，电容是稳压、滤波作用，提高工作稳定性。本设计采用5V直流电源，在经过二极管0.7V的压降后，模块得到4.3V的工作电压。引脚3与单片机PB10相连。

AT+CMGF=1\r\n是一条设置发送短信的格式的指令。参数0表示PDU模式，参数1表示文本模式，本设计选择文本模式。\r是回车符表示该AT指令结束，\n是换行符根据串口终端要求在最后要加上换行符。

2.2　软件设计

该设计使用了由正点原子给出的工程模板，在工程模板的文件夹包含CORE、HARDWARE、USER、SYSTEM以及FWLib五个文件夹目录。程序采用固件库的编程方法，调用结构体，不直接操作寄存器。

主程序分为两部分，一部分是系统初始化，另一部分是while循环。第一部分，初始化进入设定状态，系统会进行中断优先级分组，在编程中，首先开启IO口时钟，设置IO端口输入输出模式，完成IO口初始化；初始化屏幕进行显示，之后在进行初始化串口。

第二部分是while循环，主要完成调用按键子程序、显示子程序以及提醒子程序的功能，定时时间到语音播报提醒老人服药，老人进行指纹识别身份之后药盒自动打开使老人安全、按时的服用药物，超出服药时间老人未吃药会自动发送短信报警。主程序流程图如图2-10所示。

单片机要想判断按键是否按下，必须先要初始化按键对应的IO口。在本次设计中按键与GPIOB口连接起来，GPIOB是APB2总线上的外设，所以要先开启APB2时钟，然后再设置IO端口的工作方式。在编程时，利用官方定义好的 GPIO_InitTypeDef 结构体，然后对结构体内容进行设置。

时钟子程序可以控制实时时间，是通过STM32自带的RTC时钟计数器，在程序中定义一个变量timecount，用来获取RTC计数器的值。timecount/86400得到计数的天数，根据此方法得到年月日。timecount%86400得到秒钟数，将得到的秒钟数给一个新的变量temp，temp/3600得到小时，(temp%3600)/60通过计算得到分钟，(temp%3600)%60得到秒。

对引脚进行配置、时钟使能以及定义显示屏RS、RW、EN引脚对应单片机上的引脚。显示实时时间、药盒状态、设置手机号信息。

语音提醒子程序流程，将PA9引脚复用为串口1的发送端，发送端的工作模式复用为推挽输出模式。串口配置为收发模式，波特率设为9600bps，无硬件数据流控制，没有奇偶校验位，停止位一个。之后，进行此中断优先级配置，抢占3级优先级，响应3级优先级。

协议命令格式包括起始码0x7E、长度05、操作码41、曲目高位00、曲目低位01、效验码45以及结束码EF。

指纹比对是将采集到的指纹图像生成特征文件，再搜索比对芯片内建立的指纹库，若比对成功得到指纹ID。PA2初始化为时钟速率为50Hz的推挽输出，PA3端口设置为浮空输入。

3　实物调试

程序下载到实物后，上电运行。单片机及SIM800短信模块，12864显示模块等接通了直流电源。

显示屏第一行显示当前年月日，第二行显示小时、分钟、秒数以及星期。第三行显示药盒的状态，刚一上电时药盒处于关闭状态。此时，SIM800模块的网络指示灯会秒闪，说明模块正在进行网络注册。当网络指示灯变为慢闪，模块注册到网络可以使用。

按下按键4，进入录指纹的状态，录入成功显示屏第四行显示指纹号。按下按键3，进入设置需要接收短信的手机号功能，可以通过按键2进行每一位手机号的加、按键3可以减少号码数字、按键4为功能返回按键。依次输入需要接收短信的手机号码。

进入闹钟设置状态，首先设置小时，通过加减两个按键进行设置，完成后按下确定键，跳入设置分钟的界面，设置分钟后进入选择吃药名称的界面，一共可以选择五种吃药名称，最后可以选择用药的数量。此智能药盒可以设置三个定时提醒的闹钟。

通过按键1可以进入设置系统时间的功能。当设置的闹钟时间到，语音模块会不断的发出“请及时吃药”的语音提醒。老人听到语音提醒后，需要先在指纹模块上进行身份的验证，身份验证正确，屏幕上显示药盒打开的状态。同时电机转动弹出需要服用的药物，药物到达指定位置后会触动限位开关，电机停止转动。待老人服用完药物后，按下药仓电机回转，完成按时服药。

当设置的闹钟时间到语音提醒30分钟以上，老人仍然没有进行指纹验证，未按时服药。智能药盒会将老人未按时吃药信息以短信的方式发送给紧急联系人。

参考文献

[1] 王江,刘明德,曾震,等.基于老人的智能药盒设计[J].南方农机,2019,50(03):170—171.

[2] 吴亚栋,孙亚,曾光.基于AT89S52的智能语音提醒药盒设计[J].安阳工学院,2014(2):54—55.